热处理工艺对2A12铝合金性能的影响*

陈 庚，苗景国，方 琴，苗 骁，叶 靓，邓佳俊

（1.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000；2.天津职业技术师范大学，天津 300222）

0 引言

2A12铝合金是最为常见的一种2×××系高强硬铝合金，美国牌号2024，广泛应用于航空航天、交通运输、工业设备等重要领域[1-2]。为了提升此类材料的使用寿命和综合性能，通常利用热处理来达到目的。2A12铝合金目前最常见的热处理工艺为固溶结合时效处理。闫凡等[3]研究了双级时效处理对变形2A12铝合金组织与性能的影响，发现双级时效对镦粗变形2A12铝合金抗拉强度的提升效果明显强于单级时效。杜森[4]研究了退火、固溶处理对2A12铝合金包铝薄板组织性能及表面形貌的影响，发现经380 ℃/2.5 h退火热处理后的合金板材具有较低的强度以及较高的延伸率，再对2A12铝合金包铝板材直接进行495 ℃/10 min的固溶热处理后效率更高，可以获得更佳的性能与表面形貌。桂文奇[5]研究了T6工艺对2024铝合金析出相及性能的影响，研究表明T6态热处理能够有效提升2024铝合金的力学性能。刘春梅等[6]研究了预时效处理对2A12铝合金形变热处理工艺的影响，结果显示经过180 ℃/30 min预时效处理的试样在终时效后具有最高的硬度，其显微组织中第二相粒子较为细小且分布均匀，从而具有最佳的综合力学性能。由此可见，2A12铝合金传统的热处理工艺已经研究得较为透彻，寻求一种全新的热处理工艺成为广大研究人员不断追求的方向。

非等温时效工艺是近年来新兴起来的一种热处理工艺，它通过不断改变温度对合金进行时效处理，在铝合金的热处理应用上已日趋成熟[7]。付多辉等[8]研究了7055铝合金非等温时效析出过程及力学性能变化，余罡等[9]研究了非等温时效对7003铝合金组织和性能的影响，李吉臣等[10]研究了非等温时效对7B50铝合金组织及性能的影响。从目前的研究中可以发现，非等温时效处理的研究主要集中在7×××系铝合金上，在2×××系铝合金上的应用鲜有文献研究。本文通过对2A12铝合金进行非等温时效处理研究，并与传统的T74双级时效处理进行比较，探讨非等温时效工艺对2A12铝合金组织和性能的影响，为2A12铝合金的系统研究提供一些参考依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用2A12铝合金由某公司购得，化学成分如表1所示。利用切割机将2A12铝合金切割成20 mm×20 mm×5 mm的试验试样和标准尺寸的拉伸试样。具体热处理工艺为：1）T74处理：固溶处理，495 ℃×50 min，水淬，转移时间小于5 s；双级时效处理，120 ℃×3 h+180 ℃×6 h，水淬，转移时间小于5 s。2）非等温时效处理：固溶处理，495 ℃×50 min，水淬，转移时间小于5 s；非等温时效处理，30 ℃~170 ℃/20（即以20 ℃/h的升温速率从30 ℃升高到170 ℃），水淬，转移时间小于10 s。

表1 2A12铝合金的化学成分 （质量分数，%）

1.2 检测方法

用LEICA MDMI5000M+DFC450/M80+IC3D型徕卡金相显微镜观察金相组织；用JMHV0.2S-1000维氏硬度计检测硬度（5点取平均值）；用WDW-50电子万能试验机检测抗拉强度（3根取平均值）。通过晶间腐蚀试验来检测合金的抗腐蚀性能，具体步骤为试样镶样后进行打磨、抛光处理，用丙酮和去离子水清洗，并将不同热处理工艺下获得的试样同时浸泡在10 wt.%的NaOH溶液中10 min~15 min；随后放入30 vol.%HNO3溶液中至试样表面光亮，取出后用去离子水洗净吹，将试样悬挂在腐蚀液中，腐蚀液为114 g NaCl+20mL H2O2稀释至2 000 mL；烧杯放在恒温水浴锅中，温度控制在30±2 ℃，腐蚀时间为6 h，每组参数腐蚀3个试样；最后沿垂直于腐蚀面的方向对腐蚀好的试样进行取样，对截面进行打磨、抛光处理，用LEICA MDMI5000M+DFC450/M80+IC3D型徕卡金相显微镜观察、测量每个样品的最大晶间腐蚀深度。

2 试验结果及分析

2.1 两种热处理工艺对2A12铝合金组织的影响

图1为不同热处理工艺下2A12铝合金的金相组织形貌。从图中可以看出，在T74态下2A12铝合金的组织呈现出较明显的纤维状排列，较多的、细小的弥散强化相从饱和固溶体中析出，晶粒整体表现出细小的形态，但仍存在少量个别晶粒合并的现象。一级时效中形成的G.P.区经过二次加热后，产生了弥散分布的、细小的S′相[11]，此外，θ相和S相也逐渐脱溶析出，在晶界上均匀地排列，在一定程度上起到了强化的作用[12]。相较而言，在非等温时态下，晶粒的形状更加规则一致，晶粒尺寸较明显地变大，但是更多的第二相粒子溶入到晶内和晶界，组织中残余的第二相粒子数量较T74态更少，且分布更加均匀，这使得2A12铝合金的硬度和强度有所提升。

图1 不同热处理工艺下2A12铝合金的金相组织

2.2 两种热处理工艺对2A12铝合金力学性能的影响

表2为不同热处理工艺下2A12铝合金的力学性能。

由表2可知，在T74态下合金的硬度和抗拉强度值均较低，仅为118 HV和428 MPa。在经过了非等温时效处理后，合金的硬度和抗拉强度值获得了较明显的提升，分别达到了139 HV和442 MPa，较T74态提高了18%和3%。造成这样的结果，和非等温时效处理过程中析出的强化相粒子的种类和所占比重密切相关。在析出时，析出相会与位错发生缠结，同时引发晶格畸变，并在二者的相互作用下引发共格应变强化，使得合金的硬度和抗拉强度不断提高[13]。

表2 不同热处理工艺下2A12铝合金的力学性能

2.3 两种热处理工艺对2A12铝合金抗腐蚀性能的影响

图2为不同热处理工艺下2A12铝合金的晶间腐蚀结果，由图2可知，两种热处理工艺下2A12铝合金均呈现出较典型的网状沿晶腐蚀特点。

图2 不同热处理工艺下2A12铝合金的耐腐蚀性能

进一步测量可知，T74态下试样的晶间腐蚀深度约为99.5 μm，非等温时效态下试样的晶间腐蚀深度更大，达到了118.2 μm。合金的腐蚀与所含元素有关，2A12铝合金S′相中的Mg元素具有高的活性，会在腐蚀过程中优先溶解，而该相中的Cu元素活性不足，随着腐蚀的不断进行，会产生富集现象，并形成无沉淀析出带，进而产生阳极溶解。T74态经过了双级时效处理，在合金中的S′相数量不多，并且晶界上的析出相呈断续分布，进一步阻碍了腐蚀的扩展，因而抗腐蚀能力较强[14]。相较而言，非等温时效态下合金中的S′相尺寸更大，晶界上的析出相更多，抗腐蚀性能略差。

此外，在两种热处理工艺下，晶间腐蚀层间均出现了局部轻微的点蚀现象（如图中箭头所示），这和基体中含有的AlCuFeMnSi相有关，它与基体Al相存在电位差，同时该相的电位高于基体Al相，导致其周围的基体Al相发生了阳极溶解，并使得AlCuFeMnSi相发生了脱落，进而形成了点蚀现象。

3 结论

1）在T74态下2A12铝合金的硬度和抗拉强度值均低于非等温时效态。

2）两种热处理工艺状态下2A12铝合金的晶间腐蚀结果均呈现出较明显的网状沿晶腐蚀特点，非等温时效态下的腐蚀深度更大，抗腐蚀能力略低于T74态。

3）综合来看，经非等温时效处理后，2A12铝合金的综合性能更好。